Сотрудники Национального института стандартов и технологий (США) протестировали схему манипулирования внутренними квантовыми состояниями ионов, которая работает без участия лазерного излучения.

В своих опытах физики задействовали пáры ионов магния ²⁵Mg⁺, находящиеся в ловушке. Для контроля квантовых состояний захваченных атомов обычно используют излучение дорогих и громоздких УФ-лазеров, но в начале XXI века исследователи из Гамбургского университета Кристоф Вундерлих (Christof Wunderlich) и Флориан Минтерт (Florian Mintert) показали, как можно избавиться от лазеров и заменить их более удобными микроволновыми и радиоисточниками. Поскольку атомы «неохотно» взаимодействуют с излучением с большой длиной волны, германские учёные предложили стимулировать их с помощью градиента магнитного поля.

К сожалению, методику признали не слишком удачной, так как необходимость использования состояний, чувствительных к статическому магнитному полю, сделала их восприимчивыми и к окружающему нас магнитному шуму. В 2008 году авторы рассматриваемой работы нашли теоретическое решение проблемы, заменив статическое поле осциллирующим, создаваемым самим микроволновым источником. Такая схема позволяла сделать квантовые состояния более «устойчивыми».

Рис. 1. Ионная ловушка с золотыми электродами (фото Y. Colombe / NIST).

Рис. 2. Схема расположения электродов в центральной области ловушки (иллюстрация из журнала Nature).

Сейчас эта модификация методики была реализована в эксперименте с ионной ловушкой, образованной золотыми электродами на изолирующей подложке. На электроды, обозначенные на рисунке выше как RF, подавался осциллирующий потенциал, за счёт чего ионы ²⁵Mg⁺ удерживались в направлениях x и z на высоте в 30 мкм от поверхности ловушки; ограничение по оси y задавали статические потенциалы на электродах C1, C3, C4 и C6. Искомое осциллирующее магнитное поле создавали СВЧ-токи на электродах MW1, MW2 и MW3.

Окончательно избавиться от лазерного излучения американцы не смогли: маломощные УФ-лазеры необходимы для доплеровского охлаждения ионов и считывания результатов опыта. Всё это, впрочем, не относится к собственно манипулированию квантовыми состояниями, в котором лазеры не участвовали.

Последующие опыты показали, что ловушка с введёнными в её конструкцию электродами для СВЧ-токов подходит и для создания запутанных состояний двух ионов.

Рис. 3. Экспериментальная установка. Пара ионов захватывается в ловушку, которая находится в расположенной в центре стеклянной камере, подсвеченной зелёным. Синим выделен луч УФ-лазера, который отвечает за охлаждение ионов и регистрацию их квантового состояния. (Фото Y. Colombe / NIST).

Результаты исследований опубликованы в статье:

C. Ospelkaus, U. Warring, Y. Colombe, K. R. Brown, J. M. Amini, D. Leibfried & D. J. Wineland Microwave quantum logic gates for trapped ions. – Nature. – 476. – P. 181–184; doi:10.1038/nature10290; Published online 10 August 2011.